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| 超細礦物粉體增強材料的研究與開(kāi)發(fā) |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2016-01-04 14:16:46 瀏覽次數： |
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人類(lèi)應用的材料多種多樣，目前還沒(méi)有統一的分類(lèi)方法。從物理化學(xué)屬性來(lái)分，可分為金屬、無(wú)機非金屬、有機高分子及由它們復合在一起的復合材料等。從用途來(lái)分，又可分為電子材料、宇航材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物醫用材料等等。更常見(jiàn)的是將材料分為結構材料和功能材料，前者是利用材料的力學(xué)性能，用以制造受力為主的構件，功能材料是指具有獨特物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)或生物現象的一類(lèi)材料。但一種材料可以既是結構材料，又是功能材料，超細礦物粉體增強材料是功能性材料的一種。本文將圍繞目前國內外研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，就有關(guān)問(wèn)題提出一些粗淺的看法。
細礦物粉體增強材料可以分為針狀增強材料、片狀增強材料和粒狀增強材料。粒狀增強材料一般粒度要小到亞微米粒級方具有增強性能。這里主要介紹針狀增強材料和片狀增強材料。
1.針狀增強材料
主要有硅灰石(CaSiO3或CaOSiO2)、人工合成的晶須等。在針狀增強材料研究方面，美國起步較早，美國紐約的NYCO礦業(yè)公司是世界上最大、最先進(jìn)的硅灰石及其表面化學(xué)處理商品的生產(chǎn)商和供應商。自20世紀50年代開(kāi)始，NYCO的高質(zhì)量硅灰石產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地使用在塑料、陶瓷、涂料、摩擦材料、防火建筑材料板以及冶金工業(yè)。1997年，NYCO在墨西哥西北部的工廠(chǎng)開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)硅灰石24萬(wàn)噸，長(cháng)徑比在3:1到20:1之間。硅灰石產(chǎn)品的增強性、低吸水性、熱穩定性、導熱性及其高化學(xué)純度使硅灰石產(chǎn)品成為汽車(chē)工業(yè)、航天工業(yè)的一種理想應用材料。高長(cháng)徑比的硅灰石產(chǎn)品可以提高塑料的彎曲模量、提高耐熱變形溫度、降低線(xiàn)性熱膨脹系數和?？s率，使用超細的硅灰石可以取得良好的抗沖擊和抗張效果。
我國吉林、遼寧、江西、云南均有豐富的硅灰石資源，近年來(lái)，國內在硅灰石針狀粉的制備方面，進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，但長(cháng)徑比大于12:1的硅灰石微粉尚不多，這一方面與國內的資源質(zhì)量本身有關(guān)，同時(shí)也與我們的加工技術(shù)落后有關(guān)，這也是今后我國應重點(diǎn)研究的方向之一。遼寧法庫縣的硅灰石質(zhì)量?jì)?yōu)良，以此為原料可制備高長(cháng)徑比的硅灰石微粉。晶須是在人為控制條件下以單晶形式生長(cháng)成的一種纖維，直徑一般只有0.1微米至幾個(gè)微米，晶須中難以容下大晶體中的那種缺陷，高度有序的原子排列結構，使其強度接近于材料的原子間價(jià)鍵的理論強度，因而晶須最大的用途就是作為增強材料。20世紀60年代，美國的 TKF就生產(chǎn)有氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)晶須產(chǎn)品供應市場(chǎng)。國內目前有碳化硅晶須、硫酸鈣(CaSO4)晶須、鈦酸鉀(K2TiO3)晶須等工業(yè)化產(chǎn)品供應市場(chǎng)，晶須在復合材料中的增強作用是非常突出的。碳化硅晶須具有高強度、高硬度、高模量、良好的化學(xué)穩定性、耐磨耐腐蝕、抗高溫氧化等優(yōu)良性能，并且細小的晶須有利于晶須與基體材料的復合，以便更好地改善材料的性能。碳化硅晶須的加入對陶瓷的韌性具有明顯的改善作用，斷裂韌性可提高1-2倍。此外，SiC晶須的加入對改變其高溫蠕變性有明顯效果。SiC晶須增強的Al2O3，復合陶瓷已經(jīng)得到了實(shí)際應用，這種材質(zhì)的車(chē)刀，不但壽命長(cháng)，其切削效率也較普通車(chē)刀明顯提高，其應用潛力極大。據推測，2000年美國陶瓷刀具的銷(xiāo)售額為5.3億美元。專(zhuān)家們預見(jiàn)，21世紀材料發(fā)展的主要方向是納米復合材料系統，可望獲得從室溫到1500℃斷裂韌性為15Mpa的復合材料。在鋁基合金中加入SiC晶須可以大幅度地提高材料的彈性模量，改善合金的低、高溫強度，疲勞強度，大大提高合金的耐磨性能。表1是碳化硅晶須的加入對鋁基合金性能的改善情況。
2.片狀礦物增強材料
典型代表有超細云母粉等。云母是云母族礦物的總稱(chēng)，是化學(xué)成分復雜的層狀鋁硅酸鹽礦物，工業(yè)上應用最廣泛的是白云母，其次是金云母和鋰云母等。云母具有良好的物理性能和電氣性能，如電阻率高、機械強度大、有良好的劈分性、化學(xué)穩定性、耐熱性、富彈性、抗酸堿性、并能剝分成極薄的透明薄片等，粒度小于325目的超細云母粉，大量用于油漆、橡膠、塑料及珠光顏料等工業(yè)部門(mén)。高徑厚比云母增強聚丙烯的效果是相當明顯的，當云母體積百分數約為60%時(shí)，可以獲得相當高的強度和模量。但由于云母本身的韌性，在粉磨過(guò)程中想獲得高的徑厚比(大于100)是相當困難的。
根據云母的特殊結構，采用以剪切力為主的粉磨設備可獲得較高的徑厚比，如常用的碾磨機、攪拌磨機等，同時(shí)也有一些特殊的粉磨工藝和粉磨設備用于云母的粉磨，如高壓均漿器、超聲波粉碎機等。國內目前的超細云母粉較少，主要靠進(jìn)口解決需求。如以薄片狀的細磨白云母為原料，用二氧化鈦(TiO2)或其他氧化物，如氧化鐵(Fe2O3)、氧化鉻(Cr2O3)、氧化鋯(ZrO2)等進(jìn)行表面改性或復合而成的一種新型珠光顏料，稱(chēng)之為云母鈦或著(zhù)色云母鈦。因其具有高的折射率和遮蓋力、無(wú)毒、耐熱性、以及化學(xué)穩定性好等特點(diǎn)，廣泛應用于涂料、油漆、塑料、橡膠、化妝品、玩具、食品包裝、印刷裝潢、皮革、造紙、陶瓷和建筑材料等領(lǐng)域，是最有發(fā)展前途的新型珠光顏料。
3.超細粉末表面改性技術(shù)增強作用的應用
近年來(lái)，國內在樹(shù)脂改性、超細粉末表面改性后填加到高分子材料中，提高復合材料強度的研究發(fā)展十分迅速。如尼龍(PA6)是工程塑料之一，可廣泛應用于制作各種機械、化工備和電氣、電絕緣部件。但它的銷(xiāo)售價(jià)格較高，為2-2.5萬(wàn)元/噸。聚丙烯(PP)是通用塑料，它的理化性能與PA6無(wú)法相比，但它的價(jià)格僅為5000元/噸，只有PA6的1/5-1/4。若用納米硅基氧化物對PP進(jìn)行改性，使改性后的聚丙烯可以替代PA6。其改性機理是利用納米硅基氧化物的特殊結構和奇異特性及其明顯的增強、增韌作用，顯著(zhù)改善PP的加工性能，克服了傳統改性增強與增韌不能同時(shí)達到和增強時(shí)必將增大加工難度兩大難題。改性PP經(jīng)檢測表明，四大主要性能技術(shù)指標即電阻率、吸水率、屈撓度、剛性均達到或超過(guò)PA6標準。還有經(jīng)過(guò)表面改性的氫氧化鋁[Al(OH)3]粉末填加到聚乙烯泡沫塑料中可提高產(chǎn)品的拉伸強度、沖擊強度和阻燃性(表2)。
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